Proton

Proton Schematische Darstellung der Valenzquarkzusammensetzung eines Protons mit zwei u-Quarks und einem d-Quark. Die starke Wechselwirkung wird durch Gluonen übertragen (hier dargestellt durch eine sinusförmige Spur). Die Farbe der Quarks bezieht sich auf die drei Arten von Ladungen der starken Wechselwirkung: Rot, Grün und Blau. Die hier getroffene Farbauswahl ist willkürlich, wobei die Farbladung durch die drei Quarks fließt. Allgemeine Eigenschaften

Einstufung	Verbundpartikel ( Baryon )
Komposition	2 Quarks hoch (u) 1 Quark runter (d)
Familie	Fermion
Gruppe	Baryon ( Nukleon )
Interaktion (en)	Stark , elektromagnetisch , schwach , Gravitation
Symbol	p, p +
Antiteilchen	Antiproton

Physikalische Eigenschaften

Masse	938,272 MeV / c 2 (1,672 649 × 10 –27 kg ) (1,0072765 u )
Elektrische Ladung	+ e = 1,602 176 565 × 10 –19 C.
Lastradius	0,877 fm 0,84184 fm (siehe Protonengrößenproblem )
Dipolares Moment	< 5,4 × 10 -24 C m
Elektrische Polarisierbarkeit	1,2 (6) × 10 –3 fm 3
Magnetisches Moment	2,792 847 351 (28) & mgr; N.
Magnetische Polarisierbarkeit	1,9 (5) × 10 –4 fm 3
Farbladung	0
Rotieren	½
Isospin	½
Parität	+1
Lebensdauer	Theorie: unendlich (stabiles Teilchen) oder ~ 10 34 Jahre Erfahrung:> 5,9 × 10 33 Jahre
Verdichtete Form	½

Historisch

Prognose	William Prout , 1815
Entdeckung	1919
Entdecker	Ernest Rutherford

Das Proton ist ein subatomares Teilchen , das eine positive elementare elektrische Ladung trägt .

Protonen sind in Atomkernen vorhanden , die normalerweise durch starke Wechselwirkung an Neutronen gebunden sind (die einzige Ausnahme, aber die des am häufigsten vorkommenden Nuklids im Universum , ist der gewöhnliche Wasserstoffkern ( Protium 1 H), ein einzelnes Proton). Die Anzahl der Protonen eines Kerns wird durch seine Ordnungszahl Z dargestellt .

Das Proton ist kein Elementarteilchen, sondern ein zusammengesetztes Teilchen . Es besteht aus drei Teilchen, die durch Gluonen verbunden sind , zwei Aufwärtsquarks und einem Abwärtsquark , was es zu einem Baryon macht .

Im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik und auch nach unserem derzeitigen Kenntnisstand experimentell ist das Proton auch im freien Zustand außerhalb eines Atomkerns stabil. Einige Erweiterungen des Standardmodells sagen eine (extrem niedrige) Instabilität des freien Protons voraus .

Historisch

Das Konzept eines ähnlichen Teilchens Wasserstoff , andere Atome bilden, nach und nach während der entwickelten XIX - ten Jahrhunderts und der Anfang des XX - ten Jahrhunderts. Bereits 1815 stellte William Prout auf der Grundlage von Interpretationen der Werte von Atommassen die Hypothese auf, dass alle Atome aus Wasserstoffatomen bestehen. Diese Annahme erweist sich als falsch, wenn diese Werte genauer gemessen werden.

In 1886 , Eugen Goldstein entdeckte Kanalstrahlen und zeigte , dass sie von positiv geladenen Teilchen zusammengesetzt sind ( Ionen ) durch Gas erzeugt. Da jedoch die durch verschiedene Gase erzeugten Ionen unterschiedlicher Ladung / Masse - Verhältnisse haben, werden sie nicht als einzelne Teilchen identifiziert, anders als das Elektron durch entdeckt Joseph Thomson in 1897 .

Nach der Entdeckung des Atomkerns durch Ernest Rutherford im Jahr 1911 stellte Antonius van den Broek die Hypothese auf, dass die Position jedes Elements im Periodensystem gleich der Ladung seines Kerns ist. Diese Hypothese wurde experimentell bestätigt Henry Moseley in 1913 .

In 1919 , erwies sich Rutherford , daß der Kern des Wasserstoffatoms in anderen Kernen vorhanden ist. Er bemerkt, dass seine Szintillationsdetektoren die Signatur von Wasserstoffkernen anzeigen , wenn Alpha-Partikel in ein Stickstoffgas geschickt werden. Er stellt dann fest, dass dieser Wasserstoff nur aus Stickstoff stammen kann. Dieser Wasserstoffkern ist daher in einem anderen Kern vorhanden. Rutherford tauft das entsprechende Teilchen mit dem Namen Proton nach dem neutralen Singular des griechischen Wortes für "prime", πρῶτον .

Physikalische Eigenschaften

Beschreibung

Das Proton ist ein Fermion von Spin $1 /. 2$ . Es besteht aus drei Valenz Quarks , die es macht Baryon . Die beiden Aufwärtsquarks und der Abwärtsquark des Protons sind durch die starke Wechselwirkung verbunden , die von Gluonen übertragen wird . Diese Gluonen werden zwischen den Quarks ausgetauscht und machen durch die Bindungsenergie, die sie darstellen, ungefähr 99% der Masse des Protons aus . Zusätzlich zu diesen drei Valenzquarks (die die Quantenzahlen des Teilchens bestimmen ) und Gluonen besteht das Proton wie andere Hadronen aus einem "Meer" von Paaren virtueller Quarks-Antiquarks , die dauerhaft erscheinen und verschwinden. Die Quantenzahlen dieser virtuellen Paare heben sich im Durchschnitt gegenseitig auf und tragen somit nicht zu denen des Protons bei.

Wie das Neutron ist das Proton ein Nukleon und kann durch Kernkraft innerhalb eines Atomkerns mit anderen Nukleonen verbunden werden . Der Kern des am häufigsten Isotop von Wasserstoff ist ein einzelne Proton. Der Kern der schwereren Isotope Deuterium und Tritium enthält ein Proton, das an ein bzw. zwei Neutronen gebunden ist. Alle anderen Atomkerne bestehen aus zwei oder mehr Protonen und einer Reihe von Neutronen. Die Anzahl der Protonen in einem Kern bestimmt (über die damit verbundenen Elektronen) die chemischen Eigenschaften des Atoms und damit das chemische Element, das es darstellt.

Die Masse des Protons beträgt ungefähr 1,007 276 5 u oder ungefähr 938,272 0 M eV / c 2 oder 1,672 62 × 10 –27 kg . Die Masse des Protons beträgt ungefähr das 1,836,15-fache der Masse des Elektrons . Seine elektrische Ladung entspricht sehr genau einer positiven Elementarladung ( $e$ ), dh +1.602 176 565 × 10 −19 C ; Das Elektron hat eine negative elektrische Ladung, deren Wert dem des Protons entgegengesetzt ist. Die elektrische Ladung des Protons ist gleich der Summe der elektrischen Ladungen seiner Quarks: die jedes Up-Quarks ist gleich + $2 /. 3$ $e$ und das des Quarks nach unten - $1 /. 3$ $e$ . Sein Radius beträgt ca. 0,84 fm .

Maße

Als zusammengesetztes Teilchen ist das Proton kein Punkt . Seine Größe kann als definiert werden Lastradius , das, den quadratischen Mittelwert Radius seiner Lastverteilung ist.

Für mehrere Jahrzehnte und bis 2010 sind Messungen des Protonenladungsradius, die mit verschiedenen Methoden erhalten wurden, bei 0,88 fm konsistent , mit einer besten Schätzung von 0,8768 (69) fm . Im Jahr 2010 liefert eine neue Methode mit Myonwasserstoff einen neuen, sehr genauen Wert, der jedoch nicht mit den vorherigen kompatibel ist: 0,841 84 (67) fm .

In den folgenden Jahren kam es zu einer Anhäufung von Ergebnissen, die mit verschiedenen Methoden erzielt wurden und zwischen hohen Werten (ca. 0,877 fm ) und niedrigen Werten (0,83–0,84 fm ) verteilt wurden, im Prinzip sehr präzise, aber nicht kompatibel, ohne dass wir dies können noch zwischen ihnen Ende 2019 entscheiden.

Struktur

Das Proton enthält nicht nur die drei sogenannten "Valenz" -Quarks (zwei u und ein d), deren Masse nur wenige% der Gesamtmasse ausmacht. Es enthält auch viele kurzlebige Partikel, Gluonen sowie Quark-Antiquark-Paare ("See" -Quarks) aus dem Zerfall von Gluonen.

Jedes Quark-Antiquark-Paar besteht aus einem U-Quark und seinem Antiteilchen oder einem D-Quark und seinem Antiteilchen. Die u- und d-Quarks haben sehr ähnliche Massen, die Paare der beiden Arten sollten in ähnlich ähnlichen Anteilen vorliegen. Im Jahr 2021 zeigte die Analyse von Proton-Proton-Kollisionen, dass d-Antiquarks häufiger vorkommen als u-Antiquarks („Geschmacksasymmetrie“). Dieses noch ungeklärte Ergebnis ist zweifellos mit dem Problem der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie verbunden .

Interner Druck

Da das Proton aus Quarks besteht, die durch das Vorhandensein von Gluonen begrenzt sind , können wir das Äquivalent eines von den Quarks empfundenen Drucks definieren . Wir können die Verteilung berechnen, abhängig von der Entfernung zum Zentrum, die unter Verwendung von Compton - Streuung von Elektronen sehr energisch (DVCS für tief virtuelle Compton - Streuung ).

Das Ergebnis erhalten in Mai 2018Mit dieser Methode wird ein maximaler Druck im Zentrum angekündigt: etwa 10 35 Pa , dh mehr als im Zentrum der Neutronensterne . Es ist positiv (daher abstoßend) bis zu einem radialen Abstand von etwa 1 Femtometer (fm), negativ (daher attraktiv) darüber hinaus und sehr schwach über etwa 2 fm hinaus .
Die vorherige Arbeit wird in überarbeitet Juni 2019 : Es wird nicht die Methode kritisiert, sondern die Berechnung von Unsicherheiten. Tatsächlich bleiben die verfügbaren Daten mit dem Nulldruck innerhalb des Protons kompatibel.

Stabilität

Das freie Proton (nicht an andere Nukleonen oder Elektronen gebunden) ist ein stabiles Teilchen, dessen spontaner Zerfall in andere Teilchen nie beobachtet wurde. Seine Halbwertszeit wurde mit mehr als 6,6 × 10 33 Jahren gemessen . Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt mindestens 2,1 × 10 29 Jahre.

Andererseits können Protonen durch elektronische Erfassung in Neutronen umgewandelt werden . Dieser Prozess ist nicht spontan und erfordert einen Energieeintrag. Die Reaktion erzeugt ein Neutron und ein Elektronenneutrino : ${\ mathrm {p}} ^ {+} + {\ mathrm {e}} ^ {-} \ rightarrow {\ mathrm {n}} + {\ nu} _ {{\ text {e}}}$

Der Prozess ist reversibel: Neutronen können durch Beta-Zerfall , eine Form des radioaktiven Zerfalls, zu Protonen werden . Tatsächlich zerfällt ein freies Neutron auf diese Weise mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von etwa 15 Minuten.

Chemie

In der Chemie und Biochemie bezieht sich der Begriff Proton am häufigsten auf das H + -Kation , da ein Wasserstoffatom, dem sein einzelnes Elektron entzogen ist, zu einem Proton herunterläuft. Von diesem Namen ableiten , die gemeinsame Ausdrücke in Protizität Chemie , protischen Lösungsmittel / aprotischen Lösungsmittel , Protonierung / Deprotonierung Reaktion , Protonen - NMR , usw.

In wässriger Lösung ist ein Proton normalerweise nicht unterscheidbar, da es sich sehr leicht mit Wassermolekülen verbindet, um das Oxoniumion (auch und fälschlicherweise Hydroniumion genannt ) H 3 O + zu bilden.

Die Internationale Union für reine und angewandte Chemie erklärt ausdrücklich, dass das Wort Proton nicht verwendet werden sollte, um die H + -Spezies in ihrer natürlichen Häufigkeit zu bezeichnen. Zusätzlich zu Protonen ( 1 H + , in Abwesenheit von Mehrdeutigkeit auch einfach H + genannt ), Ionen, die dem Isotop von Wasserstoff entsprechen, das als Protium bezeichnet wird ( 1 H oder einfach H in Abwesenheit von Mehrdeutigkeit), sind die H + -Ionen aus natürlichem Wasserstoff können Deuteronen ( 2 H + oder D + ) oder Tritonen ( 3 H + oder T + ) sein, die jeweils den Isotopen entsprechen, die als Deuterium ( 2 H oder D) und Tritium ( 3 H oder T) bezeichnet werden.

Anmerkungen und Referenzen

Anmerkungen

Diese Notation gibt in Klammern die Unsicherheit (zwei Standardabweichungen ) in Bezug auf die letzten Ziffern an: 0,8768 (69) entspricht 0,876 8 ± 0,006 9).

Verweise

Adair, RK, The Great Design: Teilchen, Felder und Schöpfung , Oxford University Press , 1989, p. 214.
Eric Simon, " Die Massendifferenz zwischen Proton und Neutron, die zum ersten Mal durch Berechnung erhalten wurde " , auf ca-se-passe-la-haut.fr ,17. April 2015(abgerufen am 18. März 2016 ) .
CODATA 2010.
Futura-Wissenschaften, " Wann verschwinden Protonen aus dem Universum?" » , Über Futura-Wissenschaften (abgerufen am 9. Mai 2016 ) .
(en) " p " [PDF] , Partikeldatengruppe,2009.
(en) Randolf Pohl et al. , " Die Größe des Protons " , Nature , vol. 466,8. Juli 2010, p. 213-216 ( ISSN 0028-0836 , DOI 10.1038 / nature09250 ).
Januar Bernauer und Randolph Pohl, Proton, ein großes Problem , für Wissenschaft , n o 439,Mai 2014.
Carl E. Carlson , " Das Protonenradius-Puzzle ", Progress in Particle and Nuclear Physics , vol. 82,1 st Mai 2015, p. 59–77 ( DOI 10.1016 / j.ppnp.2015.01.002 , arXiv 1502.05314 , online gelesen , abgerufen am 9. Mai 2016 ).
(in) Haiyan Gao, " Antimaterie im Proton ist mehr unten als oben " , Nature , vol. 590,24. Februar 2021, p. 559-560 ( DOI 10.1038 / d41586-021-00430-3 ).
(en) J. Dove, B. Kerns, RE McClellan, S. Miyasaka, DH Morton et al. , " Die Asymmetrie der Antimaterie im Proton " , Nature , vol. 590,24. Februar 2021, p. 561-565 ( DOI 10.1038 / s41586-021-03282-z ).
(in) VD Burkert, L. Elouadrhiri und FX Girod, " Die Druckverteilung innerhalb des Protons " , Nature , vol. 557,17. Mai 2018, p. 396-399 ( DOI 10.1038 / s41586-018-0060-z ).
(in) Krešimir Kumerički, " Messbarkeit des Drucks im Proton " , Nature , vol. 570,6. Juni 2019, E1 - E2 ( DOI 10.1038 / s41586-019-1211-6 ).
(in) H. Nishino et al. , " Suche nach Protonenzerfall über p → e + π 0 und p → μ + π 0 in einem großen Wasser-Cherenkov-Detektor " , Phys. Rev. Lette. , Vol. 102, n o 14,8. April 2009, p. 141801-141805 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.102.141801 ).
(in) SN Ahmed et al. , " Einschränkungen des Zerfalls von Nukleonen über unsichtbare Modi vom Sudbury Neutrino Observatory " , Phys. Rev. Lette. , Vol. 92,10. März 2004, p. 102004-102007 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.92.102004 ).
(in) " Protium " auf goldbook.iupac.org ,24. Februar 2014.

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links

Analyse der Messung des Radius eines Protons an der CNRS- Stelle
(en) C. Amsler et al. , Protoneneigenschaften [PDF] , Partikeldatengruppe , PL B667, 1 (2008) und teilweise Aktualisierung 2009 für die Ausgabe 2010 ( [1] )